Biostoffe – Zukunft der Kunststoffindustrie

Ohne moderne Kunststoffe würde es auch die so große Entwicklung in der Automotive-Branche, in der Luftfahrt- und Kosmetikindustrie oder in der Medizin nicht geben.

Die Mehrheit von Kunststoffen entsteht infolge der Verarbeitung von nicht erneuerbarem Grundrohstoff – Erdöl- sie sind nicht bioabbaubar und das ist ihr grundlegender Nachteil. Wenn wir aus der Globalperspektive beobachten, führt die unaufhörliche Förderung von Erdöl direkt zur Ausschüpfung seiner Vorräte. Das ist ein bedeutendes Problem, obwohl es heutzutage noch nicht so sehr bemerkbar wie das Problem der Abfallmenge ist, die nach Gebrauch von Kunststoffen entsteht. Man muss dessen bewusst sein, dass ihre Zerfallszeit in der Umwelt sogar einige Generationen lang dauern kann.

Problem der gelagerten Abfälle – wie sehen die Statistiken aus?

Forschungen zeigen, dass 75% der Kunststoffe, die seit Beginn mit ihrer Herstellung auf den Markt gebracht wurden, wurden schon zum Abfall. Das sind 6,3 Milliarden von Tonnen, von denen weniger als 10% recycelt wurden und 12% der energetischen Abfallverwertung unterlegen wurden. Das bedeutet, dass etwa 5 Milliarden von Tonnen der Kunststoffe auf Mülldeponien aber auch in Wäldern, Gewässern, Stränden und illegalen Deponien gelagert werden, die weltweit verbreitet werden. Gerade die Abälle, die in der Meeresumwelt gelagert werden, haben den größten Einfluss auf die Umwelt und auf den Menschen.

Heutzutage sind die Siedlungsabfälle das größte Problem, und darin Einwegverpackungen. Obwohl sie etwa 8% der Masse aller Abfäffe bilden, nehmen sie wegen der kleinen Wichte ein wesentliches Volumen, indem sie fast 30% des Volumens aller Abfälle bilden. Zu dieser Gruppe gehören vor allem Flaschen, die aus Polyethylenterephthalat (PET) hergestellt wurden, und Einkaufstaschen, Frühstückstüten oder Folien für Verpackung von Gegenständen und der Nahrung, die aus Polyethylen (PE) oder Polypropylen (PP) hergestellt wurden. Der größte Empfänger der Verpackungen ist die Lebensmittelindustrie, die etwa 60% aller Verpackungen verbraucht.

Ökologische Alternative – Biostoffe

Wegen des zunehmenden Problems mit Bewirtschaften der Abfälle aus Kunststoffen werden Forschungen geführt, um neue bioabbaubare Polymermaterialien zu entwickeln, die umgangssprachlich als Biostoffe bezeichnet werden. Die Materialien sollen Gebraucheigenschaften aufzeigen, die vergleichbar mit Kunststoffen sind, die durch konventionelle Methoden gewonnen werden. Sie werden in industriellem Maßstab sowohl aus erneuerbaren Rohstoffen als auch petrochemischen Rohstoffen gewonnen.

Im Vergleich mit traditionellen Stoffen, die aus fossilen Quellen erzeugt werden, besitzen Biostoffe eine Reihe wertvoller Vorteile. Vor allem lassen sie Rohstoffe sparen, dadurch dass die zyklisch erneuerbare Biomasse benutzt wird. Außerdem sind ihre Herstellung und Anwendung klimaneutral und das bedeutet, dass ihre Verarbeitung zum Anstieg der Herstellung von Kohlendioxid nicht beiträgt. Mehr noch, einige Type von Biostoffen unterliegen Bioabbau.

Welche Arten von Biostoffen gibt es?

Biostoffe können in drei Gruppen geteilt werden, abhängig von der Herkunftsquelle und der Fähigkeit zum Bioabbau:

• Stoffe, die aus erneuerbaren Rohstoffen kommen, die aber dem Bioabbau nicht unterliegen – z. B. Polyamid (PA), Polyethylenterephthalat (PET),

• Stoffe, die dem Bioabbau unterliegen, die aber aus erneuerbaren Rohstoffen nicht kommen – z. B. Polyadipat 1,4-Butylen-co-Terephthalat 1,4-Butylen (PBAT) oder Polycaprolacton (PCL),

• Biostoffe, die aus erneuerbaren Rohstoffen (bioabbaubaren Polymeren)kommen, die dem Bioabbau unterliegen – z. B. Polylactid, also Stoff auf Basis der Polymilchsäure (PLA), Polyhydroxyessigsäure auf Basis der Polyglycolsäure (PGA) oder auch modifizierte Stärke.

Unter genannten Materialien spielt PLA (Polylactid) eine dominierende Rolle, das quantitativ etwa 40% aller bioabbaubaren Polymere bildet. Oft wird es doppelgrün genannt, weil es sowohl bioabbaubar ist als auch aus erneuerbaren Rohstoffen gewonnen wird. Polilaktyd ist ein Polymer mit Eigenschaften, die den Eigenschaften von Polystyrol ähnlich sind, weil es steif und brüchig ist. Es charakterisiert sich mit der Glasübergangstemperatur von etwa 57°C und Schmelztemperatur im Bereich 170–180°C. Es zeigt auch gute widerstandsfähige Eigenschaften (Festigkeitsmodul 60 MPa).

Wo werden bioabbaubare Biostoffe benutzt?

Die Gruppe von Biostoffen, die auf bioabbaubare Polymere beruhen, findet die Anwendung auf 2 Gebieten. Das erste davon, hochspezialistisch, ist der Zweig der Medizin und von Tissue Engineering (Gewebezüchtung), wo die Biostoffe für Herstellung von solchen Elementen wie bioresorbierbare chirurgische Fäden, Klammern, Klemmen, Implantate, Kapseln für kontrolierte Dosierung von Arzneimitteln u.ä. benutzt werden. Das andere wird mit der Herstellung in großem Umfang von Verpackungen, Folien für Lebensmittelprodukte, Folien für Thermoformung, Taschen für Abfälle, Tablette, Becher, Flaschen, Bestecke, Gartenfolien, Einwegprodukte, Innenausrüstungselemente, Materialien für Papierbezug und Drucken verbunden. Ersetzen der Verpackungen, die aus konventionellen Kunststoffen hergestellt werden, durch bioabbaubare Ersätze lässt sich in Wirtschaftstrend der nachhaltigen Entwicklung und der Reduktion von Abfällen eintragen.

Nachteile der Biostoffe

Trotz vieler Vorteile muss man merken, dass bioabbaubare Polymermaterialien auch Nachteile haben, die ihre allgemeine Anwendung begrenzen. Deswegen geben sie weiterhin bei vielen Anwendungen ihren Äquivalenten nach, die dem Bioabbau nicht unterliegen. Vor allem sind bioabbaubare Biostoffe teurer als Stoffe, die gegenwärtig auf dem Markt sind, allerdings es ist wert zu betonen, dass ihr Preis ständig sinkt. Es wird vorausgesehen, dass er in den nächsten Jahren dem Preis von klassischen Polymerstoffen petrochemischer Herkunft gleich werden kann. Viele der Biostoffe geben den konventionellen Stoffen auch bei mechanischen Eigenschaften nach, d.h. sie sind ziemlich brüchig oder steif oder ihre Zugfestigkeit ist zu klein.

Hinsichtlich der häufige Benutzung der Materialien für Erzeugung der Verpackungen von Lebensmittelprodukten werden auch entsprechende Barriereeigenschaften von ihnen erfordert. Die sind wesentlich wegen der Durchlässigkeit vom Sauerstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf, die ungünstig verpacktes Produkt beeinflussen können. Außerdem, wegen der Empfindlichkeit der bioabbaubaren Polymere auf Wärme, Feuchte und Schubspannungen, sind sie mehr anspruchsvoll als ihre nichtbioabbaubaren Äquivalenten. Deswegen können Biostoffe der teilweisen Zerstörung schon bei der Etappe des Verarbeitungsverfahrens unterliegen. Die genannten Nachteile der bioabbaubaren Polymermaterialien bilden die Grundlage für Durchführung der Forschungsarbeiten im Bereich der Verbesserung ihrer Eigenschaften oder der Begrenzung von bestehenden ungünstigen Gebrauchseigenschaften.

Zusatzmittel, die Eigenschaften der bioabbaubaren Stoffe modifizieren

Biostoffe enthalten außer Polymeren andere Materialien und zusätzliche Substanzen, die gemeinsam über Möglichkeit der Verarbeitung und über endgültige Charakteristik des Produktes entscheiden. Das können Zusatzmittel, die der Stabilisierung von Materialien dienen, Pigmenten, verschiedene Füllstoffe oder weichmachende Zusatzmittel (Weichmacher) sein. Obwohl Weichmacher ein unbedeutendes Prozent aller Bestandteile im Stoff bilden, ist es für bioabbaubare Stoffe äußerst wesentlich, dass sie alle auch bioabbaubar sind. Zusatzstoffe, die während der Verarbeitungsverfahren eingeführt werden, beeinflussen die Änderung der Polymerstruktur nicht sondern wirken nur auf seine Struktur. Das verursacht die Änderung der physikochemischen Eigenschaften von Materialien, indem es den Produkten geforderte Gebrauchseigenschaften verliehen werden.

Parallel mit dynamischer Entwicklung der Biostoffe, die für spezialistische Verpackungen bestimmt werden, steigt die Nachfrage nach weichmachenden Zusatzmitteln, die mit bioabbaubaren Polymeren kompatibil sind und den Stoffen erwünschte Eigenschaften verleihen.

Neues Bio-Projekt in der PCC-Gruppe

Infolge der gemeinsamen Arbeiten von Forschungsabteilungen der Gesellschaften PCC MCAA und PCC Exol im Rahmen des CITREX-Projektes wird eine neue Produktgruppe entwickelt. Das sind weichmachende Produkte, die für spezialistische Verpackungen, Folien, Laminate für Nahrung bestimmt werden die aber auch potenziell bei Spielzeugen verwendet werden können. Die Entwicklung der Produkte, die den Marktanforderungen entsprechen und zugleich eine Produktinnovation bilden, ist eine große Forschungsherausforderung. Sowohl die Synthese dieser Produkte, als auch ihre Applikation bedürfen eine genaue Erkundung in vielen Bereichen, die unter anderen den Synthesenweg, die Analysenmethoden, die möglichen Applikationen und die Informationen über Konsumenten und Wettbewerber am Zielmarkt betreffen. Der Grundzweck des Projektes ist also nicht nur weichmachende Zusatzmitttel selbst zu entwickeln, sondern vor allem Wissen im Bereich der Eigenschaften und Applikationen von diesen Produkten zu gewinnen..

Anforderungen, die weichmachende Zusatzmitttel für Biostoffe betreffen

Schlüsselkriterien, die weichmachende Zusatzmitttel für bioabbaubare Polymere erfüllen müssen, sind:

• Fehlen an Migration vom Weichmacher aus Biostoff unter Einfluss der hohen Temperatur und der Lagerungszeit.

Die Begrenzung der Migration von Zusatzmitteln aus Stoffen ist der Schlüsselaspekt bei der Entwicklung von ihren Strukturen. Die Erscheinung der Migration kann man umganssprachlich als „Herausfließen” des Weichmachers aus dem Kunststoff bezeichnen. Beim Fertigprodukt kann das mit Verlust der Materialeigenschaften und Verschlechterung seiner Ästhetik gefolgt werden und wird als Entfärbung des Produktes oder Deformation seiner Form beobachtet.

Praktisch kann die Migration durch Anpassung der entsprechenden Molekülmasse des Weichmachers (seiner Masse) und Modifikation seiner chemischen Struktur, damit sie mehr verzweigt oder linear wird, begrenzt werden.

• Bioabbaubarkeit

Das weichmachende Zusatzmittel, das zum Biostoff zugegeben wird, muss das Kriterium der Bioabbaubarkeit erfüllen. Das bedeutet, dass es leicht dem biologischen Abbauverfahren unterliegen, z. B. durch Kompostierung, und das verursacht nicht, dass schädliche Substanzen entstehen. Eine der Methoden für Erhöhung der Bioabbaubarkeit der Produkte ist die Verwendung von Rohstoffen natürlichen Herkunft, wie Bio-Carbonsäuren und andere bioabbaubare Rohstoffe in der chemischen Synthese.

Oben beschriebene Kriterien beziehen sich sowohl auf Modifikation der chemischen Struktur als auch auf Auswahl der benutzten Rohstoffe mit gleichzeitigem Erhalten der entsprechenden Molekülmasse von der einer Synthese zu unterliegenden Verbindung. Die Erfüllung der Kriterien ist eine große Forschungsherausforderung aus Sicht der Entwicklung von entsprechenden weichmachenden Zusatzmitteln und der Durchführung ihrer Synthese. Deshalb fordert die Realisierung des Projektes viele Laborversuche durchzuführen, um Verbindungen mit wiederholbarer Qualität und Struktur zu gewinnen.

Innovation der entwickelten Produkte

Über Attraktivität des neuen Produktes auf dem Markt entscheidet auch seine Innovation. Weichmachende Zusatzmittel, die im Rahmen vom CITREX-Projekt entwickelt werden, zeichnen sich durch innovative Verbindung natürlicher Bio-Carbonsäuren (Bernsteinsäure und Citronensäure), der Polyole, die durch PCC Rokita hergestellt werden, und des Laurylalkohols, der bei kosmetischen Produkten verwendet wird und also nichttoxisch ist, aus. Gleichzeitig besitzten die hergestellten Produkte eine streng bestimmte Molekülmasse, die  in der Annahme die Migration der Zusatzstoffe aus dem Endprodukt begrenzen soll. Das Hauptziel bei der Entwicklung neuer Molekülstrukturen war die Bildung solches Moleküls, das in möglichst großem Maße mit dem im Biostoff enthaltenem Biopolymer reagieren würde (nach dem Prinzip „das Ähnliche mag das Ähnliche”), und das hat auch einen Einfluss auf Begrenzung der Migration und trägt zur Erfüllung der Anforderungen bei, die den weichmachenden Zusatzmitteln gegenüber gestellt werden.

Die Gewinnung der Laborprobe des Produktes ist die erste Voretappe für Forschungen, die im Rahmen vom CITREX-Projekt durchgeführt werden. Sie ist zugleich der Anfang der nächsten Etappe, also die Etappe der Forschungen von Applikationseigenschaften der Produkte. Die genaue Untersuchung der Eigenschaften von den Produkten ist die Grundlage für die Auswahl der Zielapplikationen.

Die Zukunft vom Markt der Biostoffe

Der Markt von Biostoffen und Biozusatzstoffen ist bestimmt ein perspektivischer und sich schnell entwickelter Markt, was in der letzten Zeit besonders bemerkbar ist. Es wird unter anderen durch steigendes Bewusstsein von Konsumenten verursacht, das einen negativen Einfluss der Kunststoffe auf die Umwelt betrifft. Bewusste Konsumenten greifen immer öfter nach ökologischen Äquivalenten der Verpackungen und Einwegprodukte, die aus konventionellen Kunststoffen hergestellt wurden. Das erhöht die Nachfrage des Marktes nach artverschiedenen, aus Biostoffen hergestellten Elementen, wie Behälter oder Bestecke, die aus PLA erzeugt werden.